3.2 早期的磁学和电学研究

大约公元前 6 世纪,希腊学者泰勒斯(Thales,公元前625(?)—前547(?))记述了磁石吸铁和摩擦后的琥珀吸引轻小物体的现象。electricity(电)这个词的起源就来自希腊文的“琥珀”(ελεκτρον,英译 electron)。中国古代,早在公元前 3 世纪,古书《韩非子》就记载有司南(指南针);《吕氏春秋》记有慈石(磁石)召铁。西汉末年(公元前 20 年)有“碡瑁(玳瑁)吸衤若(细小物体)”等记载。人们很早就认识到,磁石召铁和玳瑁吸褚是性质不同的两类现象。经过长期的知识积累和系统研究,逐渐形成了两门独立的学科:研究电现象的电学和研究磁现象的磁学。比起磁学来,电学发展较晚,这一方面是因为电现象难以定量研究,更主要的是因为磁学有指南针、磁倾角等方面的应用,而静电现象则多为宫廷中的娱乐对象。

系统地研究磁现象始于 17 世纪。1600 年英国医生吉伯(William Gilbert,1544—1603)发表了《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》(De magnete,magneticisque corporibus et de magnomagnete tellure)。他总结了前人积累的有关磁的知识,亲自采集磁石、制作磁针、磁球和磁石仪器,进行磁性实验。他把地球看成是一大磁体,周密地研究了地磁的性质。例如,他论断说,如果沿南北方向加热和锻打铁块,就可以使铁块具有磁性(图 3 – 1)。吉伯的工作使磁学发展成为物理学的一个分支。

图 3 – 1  吉伯关于锻打使铁产生磁性的一幅画,图中 septentrio 表示北,avster 表示南
图 3 – 2  吉伯
图 3 – 3  吉伯向伊丽莎白女皇介绍磁学新成果
图 3 – 4  吉伯研究磁倾角

电现象的研究要困难得多,因为一直没有找到恰当的方式来产生稳定的静电和对静电进行测量。只有等到发明了摩擦起电机,才有可能对电现象进行系统的研究。

图 3 – 5 是 1660 年盖里克(Ottovon Guericke,1602—1686)发明的摩擦起电机。这种摩擦起电机实际上是一个可以绕中心轴旋转的大硫磺球,用人手或布帛摸抚转动的球体表面,球面上就可以产生大量的电荷。盖里克之所以会想到用一个旋转的硫磺球来做实验,是因为他本来的意图是想说明地球引力的起因。用他自己的话来说,是想证明地球吸引力乃是某种“星际的精气”。[1]当他举起经过摩擦的硫磺球(如图 3 – 6),周围的羽毛枯叶纷纷向它聚集,就像万物被地球吸引一样。

图 3 – 6  盖里克举起硫磺球       图 3 – 5  盖里克的摩擦起电机
图 3 – 7  盖里克

盖里克的硫磺球实验确实模拟了地球的吸引作用,甚至他还显示了硫磺球的引力比地球吸引力大。然而,他也发现两者有不同之处。在硫磺球周围,也会有物体被排斥,羽毛在硫磺球和地板之间会上下跳动。盖里克开始领悟到,重力并不能归结于电力,它们各有自己的特点。

盖里克的摩擦起电机实验被许多人重复,人们纷纷仿照他的方法做静电学实验,1705 年豪克斯比(F.Hauksbee,1666—1713)用空心玻璃壳代替硫磺球,发现效果一样。后来别的实验家又陆续予以改进,直到 18 世纪末,摩擦起电机一直是研究电现象的基本工具。用这种起电机,实验家先后得到了许多重要结果。例如,1720 年,格雷(S.Gray,1675—1736)研究了电的传导现象,发现导体与绝缘体的区别。随后,他又发现了导体的静电感应现象。1733 年,杜菲(du Fay,1698—1739)经过实验区分出两种电荷,他分别称之为松脂电(即负电)和玻璃电(即正电),并由此总结出静电作用的基本特性:同性相斥,异性相吸。

图 3 – 8  格雷的导电实验
图 3 – 9  格雷拿小孩做实验

莱顿瓶的发明使电现象得到更深入的研究,这是克莱斯特(E.G.v.Kleist,1700—1748)和马森布洛克(P. van Musschenbrock,1692—1761)在 1745—1746 年分别独立作出的。

图 3 – 10  富兰克林

富兰克林(Benjamin Franklin,1706—1790)进一步对放电现象进行研究。他发现了尖端放电,发明了避雷针,研究了雷电现象。他利用风筝实验,把天上的电引到地上,证明了天电和地电的同一性。1747 年他还根据如下的实验提出了电荷守恒原理:A 和 B 二人分别站在绝缘的蜡块上,A 用手摩擦 B 拿着的玻璃管,结果两人分别带电,都能在碰到站在地上的第三人 C 时引起火花。但是,如果 A 和 B 在相互接触的情况下摩擦玻璃管,则两人都不会带电。此外,如果以上带了电的 A 和 B 两人互相接触,那就会产生比 AC 和 BC 接触时更强的火花,而且,在 AB 放电之后,两人又都恢复了不带电的状态。富兰克林记述这一实验的信函发表在 1750 年出版的《哲学杂志》上。为了解释上述现象,他提出了电的单流体假说,他设想存在一种电基质(common element),渗透在所有物体之中。当物体内部的电基质的密度同外面相同时,物体就显示电中性;在起电过程中,一定量的电基质由一个物体转移到另一个物体中。他写道:

“我们认为电火是一种基质,在开始摩擦玻璃管以前,三人各有该基质等量的一份。站在蜡上擦玻璃管的 A,将他自己身上的电火传给了玻璃管,并因所站的蜡把他和共同的电火来源之间的交通隔断了,所以他身上不再得到新电火的即时供应。同样,站在蜡上以指关节接触玻璃管的 B,接受了玻璃管从 A 得来的电火,由于他与共同电火之间的交通已被隔断,所以保有新接受的增量。对于站在地板上的 C 来说,A,B 两人都是带电的,因为他身上的电量介于 A 与 B 之间。所以他在接近电量多的 B 时接受一个火花,而在接近电量少的 A 时送出一个火花。如果 A 与 B 相接触,则火花更为强烈,因为两人的电量有更大的差距。经过这样接触以后,A 或 B 与 C 之间不再有火花,因为三人所具有的电火已恢复原有的等量了。如果他们一面生电,一面接触,则该等量始终不变,电火只是循环流动着而已。因此,我们中间就出现了一些新名词。我们说,B(以及类似的物体)带了正电;A 带了负电;或者说 B 带 + 电、A 带 − 电。我们可以在日常实验中根据自己的需要使用 + 电或 − 电。只要知道要生的是 + 电或 − 电就够用了。被摩擦的管或球的部分能在摩擦时立即吸引电火,因而将它从摩擦物接受过去。该同一部分也能在停止摩擦时将所接受的电火输送给电火较少的任何物体。就这样,你可以使电火循环流动。”[2]

富兰克林的解释可以表述为:在任一封闭系统中,电基质的总量不变,它只能被重新分配而不能被创生。这就是电荷守恒原理。富兰克林的这些贡献,使电学的研究从单纯的现象观察进入到精密的定量描述,使人们开始有可能用数学方法来表示和研究电现象。因此,后人把富兰克林看成是电学理论的奠基人。图 3 – 11 是富兰克林《电的实验和观察》(Experiments and Observations on Electricity)(1751 年)一书中的插图。

图 3 – 11  富兰克林的《电的实验和观察》

接下来是康顿(John Canton)在 1754 年用单流体假说解释了静电感应现象。

至此,静电学三条基本原理:静电力基本特性、电荷守恒和静电感应原理都已经建立,对电的认识有了初步的成果。然而,如果不建立定量的规律,有关电的知识还不足以形成一门严密的科学。这些基本的定量规律中首先建立的是库仑定律。它在静电学的地位相当于力学中的万有引力定律。


[1] Heilbron J L.Electricity in the 17th & 18th Centuries.University of California Press,1979.215

[2] Magie W F.A Source Book in Physics,MeGraw-Hill,1935.401

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发布时间:2010/9/15 上午7:46:11  阅读次数:6797

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